De opwarming van de aarde, veroorzaakt door verhoogde concentraties van broeikasgassen, heeft nu al invloed op ons leven. Verzengende zomers, intensere hittegolven, langere droogteperiodes, langdurigere overstromingen en nog grotere bosbranden zijn gevolgen die verband houden met deze opwarming.

Een minder voor de hand liggend gevolg van de opwarming van de aarde krijgt ook steeds meer aandacht van wetenschappers:een potentiële toename van de intensiteit en frequentie van winterkoude momenten op het noordelijk halfrond.

Weersverschijnselen zoals het Beest uit het Oosten in de winter van 2018, de koude golf van Arctische lucht die in februari 2021 tot in het zuiden van Texas reikte, of de storm die Madrid en Athene begin 2021 dagenlang ongewoon bedekt met sneeuw achterliet, komen steeds vaker voor. .

Sommige mechanismen die tot het ontstaan ​​ervan leiden, worden versterkt door de opwarming van de aarde. Belangrijke klimaatmechanismen, zoals de uitwisseling van energie en luchtmassa's tussen verschillende hoogtegebieden in de atmosfeer, evolueren op manieren die naar verwachting een toename van zowel de intensiteit als de duur van koudegolven zullen veroorzaken. Deze houden verband met het gedrag van een regio in de hoge atmosfeer, de stratosfeer.

Koude momenten in de winter hebben grote maatschappelijke gevolgen, van directe gevolgen voor de gezondheid en het verlies van mensenlevens tot gevolgen voor transport en infrastructuur, een stijging van de vraag naar energie en schade aan agrarische hulpbronnen.

Deze winter hebben we deze effecten in grote delen van Europa en de VS gezien, met annuleringen van vluchten, sluitingen van luchthavens, files op de wegen en chauffeurs die vastzaten in extreem koude temperaturen. Er is ook sprake van een scherpe stijging van de vraag naar energie om te kunnen voorzien in de verwarming van gebouwen, een stijging van het aantal ziekenhuisopnames als gevolg van koude en de activering van diensten die nodig zijn om de meest kwetsbaren te helpen.

We moeten prognosetools ontwikkelen die deze gebeurtenissen verder van tevoren kunnen voorspellen.

Polaire vortex

Sommige van deze koudegolven houden verband met verstoringen in een seizoensgebonden atmosferisch fenomeen dat de stratosferische polaire vortex (SPV) wordt genoemd.

Op het noordelijk halfrond bestaat deze vortex uit massa's koude lucht gecentreerd boven de noordpool, omgeven door een straal zeer sterke westenwinden tussen 15 en 50 km boven de grond. Deze draaiende winden fungeren als een muur en houden de koude lucht beperkt tot het Noordpoolgebied, waardoor deze niet naar lagere breedtegraden kan reizen.

Iets dat de vortex kan verstoren is een plotselinge opwarming van de stratosfeer (SSW), wanneer de stratosfeer een abrupte temperatuurstijging ervaart als gevolg van de overdracht van energie en momentum van lagere naar hogere hoogten.

Wanneer zich een grote SSW voordoet, kan de muur van sterke wind rond de polaire stratosfeer breken, waardoor koude lucht uit de polaire vortex kan ontsnappen en naar lagere atmosferische hoogten en lagere breedtegraden kan reizen. Wanneer die lucht het aardoppervlak nadert, kunnen er aanzienlijke koudeperiodes optreden.

Zelfs als SSW's niet sterk genoeg zijn om de vortex te doorbreken, kunnen ze deze verzwakken. Dit kan ertoe leiden dat polaire luchtcirculatiepatronen verder naar het zuiden slingeren naar lagere breedtegraden en bevolkte gebieden van Noord-Amerika en Eurazië bereiken, in plaats van dichter bij de noordpool te blijven. Die gebieden kunnen dan temperaturen ervaren die tientallen graden lager zijn dan hun wintergemiddelde.

Door de klimaatverandering verandert de overdracht van energie van de laagste lagen van de atmosfeer van de aarde naar de hogere stratosferische laag en lijkt de polaire vortex in grotere mate te verstoren. Uit onderzoek is gebleken dat de sterkte en de duur van SSW’s in de stratosfeer de afgelopen veertig jaar zijn toegenomen. Deze stijging zal naar verwachting ook resulteren in sterkere koudegolf in de winter aan de oppervlakte.

Prognose-uitdaging

Het nauwkeurig voorspellen van deze koudegolf is van cruciaal belang om de samenleving te helpen zich er op de juiste manier op voor te bereiden. Het ontwikkelen van computergebaseerde voorspellingsinstrumenten die realistische interacties reproduceren tussen de lagere niveaus van de troposfeer en het stratosferische gebied is een essentiële stap in de richting van dit doel.

Om het gedrag van de stratosfeer en de interactie daarvan met de troposfeer correct te kunnen simuleren, moeten voorspellingsinstrumenten realistische beschrijvingen bevatten van de overvloed en verspreiding van ozon in de stratosfeer. Ozon beïnvloedt de interactie van luchtmassa's buiten en binnen de vortex, en dus ook het transport van koudere lucht van hogere naar lagere hoogten.

Het opnemen van alle chemische processen waarbij ozon betrokken is, met de resolutie die nodig is om deze weersomstandigheden te voorspellen, is echter onbetaalbaar in termen van de benodigde rekenkracht. Dit geldt des te meer als we de gebeurtenissen een seizoen vooruit willen voorspellen.

In mijn onderzoek wordt gekeken naar manieren om voorspellingsmodellen te verbeteren, zodat het soort stratosferisch gedrag dat tot deze koude periodes leidt beter kan worden vastgelegd. Om dit te doen heb ik alternatieven ontwikkeld die op realistische wijze processen in de stratosfeer kunnen simuleren, inclusief aspecten van de ozonchemie, met minder rekenkracht.

In een onderzoek dat ik leidde, gebruikten we deze alternatieven om interacties tussen de ozonlaag, temperatuur en zonnestraling te simuleren in het mondiale computermodel dat werd gebruikt om enkele van de beste weersvoorspellingen ter wereld te produceren.

De experimenten die we met dit model hebben gedaan, hebben aangetoond dat het opnemen van deze realistische alternatieve weergave van ozon in de stratosfeer leidde tot verbeteringen in de simulaties van de temperatuurverdeling in de stratosfeer. Dit betekent dat het kan helpen nuttige informatie te verschaffen over de triggers van koude periodes zoals SSW's.

Het ontwikkelen en gebruiken van deze alternatieven bij klimaatmodellering is een belangrijke mijlpaal in de richting van wat wij naadloze voorspellingen noemen:het gebruik van dezelfde computermodelleringstools om zowel het weer als het klimaat te voorspellen. Hierdoor kunnen causale verbanden tussen klimaatverandering en extreme weersomstandigheden nauwkeuriger worden vastgesteld.

Een vraag die velen zich misschien afvragen is of deze extreme kou de opwarming van de aarde zou kunnen tegengaan. Jammer genoeg niet. Terwijl deze winter dagen met extreem koude temperaturen en hevige sneeuwval op het noordelijk halfrond heeft gebracht, heeft de huidige zomer op het zuidelijk halfrond enkele van de warmste dagen ooit gekend voor bevolkte gebieden van Australië, met temperaturen van rond de 50ºC.

De opwarming van de aarde maakt extreem weer extremer, en wetenschappelijke studies beginnen bewijs te leveren dat dit ook geldt voor extreme koude winterperiodes. Het ontwikkelen van de best mogelijke modelleringstools is essentieel om de evolutie van extreme weersomstandigheden in de komende jaren te voorspellen, zodat we ons er beter op kunnen voorbereiden.

Aangeboden door The Conversation

Dit artikel is opnieuw gepubliceerd vanuit The Conversation onder een Creative Commons-licentie. Lees het originele artikel.